发酵培养基优化探究：碳源影响井冈霉素产量

培养基设计和优化是实验室实验和生产规模放大的一个重要步骤。培养基的设计和优化是件复杂的工作，需要考虑的因素很多，最终确定要通过实验的方法获得。

（一）培养基成分设计与优化的步骤

（1）根据前人的经验和培养基配制的基本原则和要求，先选择一种较好的培养基作基础，初步确定可能的成分。

（2）通过单因子摇瓶实验确定适宜的培养基成分，每次仅限一种成分。

（3）通过多因子实验确定各成分的最适浓度。单因子实验比较简单，对于多因子实验，为了通过较少的实验次数获得所需各成分最适浓度，常采用一些合理的实验设计方法，常用的有正交实验设计、响应面分析等。

（二）常用的优化方法

1. 单因子设计

实验室进行培养基优化最常用的方法是单因子法。这种方法是在假设各因素间不存在交互作用的前提下，通过一次改变一个因子而其他因子保持恒定水平，逐个因素进行考察的优化方法。另外，为了精确确定主要影响因子的适宜浓度，也可以进一步进行单因子实验。该法的优点是简单，结果明了，其主要缺点是忽略了组分间的交互作用，可能会完全丢失最适宜的条件，也不能确定因素的主次关系，当考察的实验因素较多时，还需要大量的实验和较长的实验周期。

以井冈霉素产生菌UN-80为例说明通过单因子实验确定适宜的培养基成分的方法，井冈霉素产生菌UN-80基础发酵培养基成分（%）：可溶性淀粉6.0，酵母粉0.5，蚕蛹粉0.5，黄豆粉2.0，磷酸二氢钾0.1，氯化钠0.2，碳酸钙0.5，pH 7.0～7.5。

（1）不同碳源对井冈霉素发酵产量的影响 用多种碳源代替基础发酵培养基中的可溶性淀粉，用量为6%，考察不同碳源对发酵液OD₅₀₀值及井冈霉素化学效价的影响，结果如表3-11所示。

表3-11 单因子碳源选择实验结果

结果表明，以玉米粉为碳源时，井冈霉素化学效价最高，可能与其含有维生素以及富含微量元素有关。其次，以可溶性淀粉为碳源，化学效价也比较高。考虑经济成本因素，选择玉米粉作为最佳碳源。

（2）不同氮源对井冈霉素发酵产量的影响 用多种氮源代替基础发酵培养基中的酵母粉、蚕蛹粉及黄豆粉，用量为2%，考察不同氮源对发酵液OD₅₀₀值及井冈霉素化学效价的影响，结果如表3-12所示。(www.xing528.com)

表3-12 单因子氮源选择实验结果

结果表明，以有机氮源中的花生饼粉作为氮源时，井冈霉素化学效价最高。其次是黄豆粉和蛋白胨。在实际生产中，既要考虑发酵产量，还要考虑经济成本。因此选择花生饼粉和黄豆粉作为最佳氮源的组合有利于大大节约成本。

2. 多因子正交实验设计

正交实验设计是利用正交表来安排多因子实验并利用普通的统计方法来分析实验结果的一种设计方法，是研究多因子多水平的一种高效、快速、经济的设计方法。它是在实验因子的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行实验，然后根据实验和分析结果确定主、次因子，并确定较优的工艺条件。

以井冈霉素发酵培养基的优化为例，一个四因子三水平的实验，按全面实验要求，需进行81次（3⁴）实验；若按正交表安排，只要做9次实验，大大减少了工作量。正交实验设计通常用L₉（3⁴）表示，其中，L正交代表代号，9代表实验次数，3代表水平数，4代表因子数。因此，L₉（3⁴）就表示需做9次实验，可观察4个因子，每个因子均为3水平。

（1）根据单因子实验结果，结合相关文献，确定因子和水平。井冈霉素发酵培养基中碳、氮、磷的比例是影响发酵水平的主要因素，因此，固定基础培养基中主要考虑玉米粉、花生饼粉、黄豆粉及磷酸二氢钾4个因子，因子水平如表3-13所示。

表3-13 因子水平表 单位：%

（2）根据因子和水平数选用合适的正交表，并进行实验，结果如表3-14所示。

表3-14 正交实验表及实验结果

（3）根据实验结果计算各因子对应的不同水平下的效价平均值，并分别进行极差R分析，比较各因子的极差大小。

极差越大，说明该因子水平变动时，实验结果的变动越大，即该因子对实验结果的影响越大，从而可按极差的大小来确定各因子的主次顺序。本实验4个因子对井冈霉素化学效价影响的顺序为玉米粉＞花生饼粉＞黄豆粉＞磷酸二氢钾。k₁、k₂、k₃分别反映每个因子的三个不同水平对实验结果的影响，最大的k值对应最好的水平。本实验优化后的发酵培养基为玉米粉9%，花生饼粉3%，黄豆粉2%，磷酸二氢钾0.05%，氯化钠0.2%，碳酸钙0.5%。